超大直径泥水平衡盾构机施工造价测算方法*

陈天宇

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 430063, 武汉∥高级工程师)

我国越江交通工程建设中，超大直径盾构隧道工程以其独特的技术优势得到了广泛应用[1-2]。目前，上海、南京、武汉等城市多座过江大直径隧道已贯通，且在建或即将建设的越江市政、铁路、公路大直径盾构隧道越来越多。盾构机直径已逐步从5.92 m发展至15.43 m，甚至更大。如：香港屯门—赤鱲角公路隧道直径达到17.60 m；西雅图SR99隧道直径达到17.45 m，深圳荷坳隧道直径达到18.10 m。超大直径盾构法施工技术已日渐成熟，但在施工造价估算、概预算、工程决算等工程造价方面的理论却滞后于工程实践[3]。根据CJJ 221—2015《城市地下道路工程设计规范》[4]，城市地下隧道工程大多为单洞三车道的隧道，其断面尺寸接近15 m左右。可是，目前国家定额体系落后于施工技术发展的步伐，超大直径盾构机掘进定额发布不完善。在市政定额体系中，仅有部分省市先后发布了φ11.0 m级和φ15.5 m级的盾构隧道施工定额；在铁路施工定额体系中，《铁路工程预算定额》[5]仅有φ12 m级和φ13 m级盾构隧道的补充定额；在公路施工定额体系中[6]，无相关盾构机定额。可见，现有规范定额难以适应超大直径泥水平衡盾构隧道工程实际造价，不利于盾构隧道技术的发展。

已有大量学者对盾构法隧道掘进的工程造价问题进行了相关研究，但主要是针对某个工程简单分析其工程消耗量，而且盾构直径大多为11 m级和15 m级。目前并未有超大直径盾构机掘进定额的相关研究成果。对于盾构机的折旧计算方法，现阶段通常仍采用平均工作量法，但该理论计算结果与实际往往相差较大。此外，通过实际施工发现，现有泥水平衡盾构机的泥浆处理定额存在一定缺陷，亟需修正。

因此，为解决上述存在的工程问题和现阶段研究的不足，结合目前最新的φ11.0 m级和φ15.5 m级盾构机掘进定额水平和施工技术水平，开展超大直径盾构机掘进费用研究，提出φ18 m级超大直径盾构机掘进定额消耗量的计算方法，并且分析了超大直径盾构机在不同地层(软质岩、硬质岩和软硬不均质岩)中掘进的损耗量。考虑盾构机折旧的主要影响因素，通过确定影响因子的定量指标，采用双倍余额递减数学计算模型，提出一种适用于φ18 m级超大直径盾构机加速折旧的计算方法，改进了φ11.0 m级和φ15.5 m级盾构机常用的平均工作量计算方法。同时，考虑到泥水处理费用定额的缺陷，根据实际泥水处理消耗量对泥水处理定额水平进行了修正。针对大型泥水平衡盾构机的掘进费用、盾构折旧费用、泥浆处理费用，提出φ18 m级超大直径盾构机施工造价的合理测算方式，可为工程投资提供准确的造价测算，从而有效控制了工程成本，创造了经济效益，推动了超大直径盾构隧道施工定额的发展水平，具有重要的理论意义和工程实践价值。

1 盾构机掘进施工工序及费用组成

盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，具有掘进速度快、安全性和全自动化程度高、不受气候条件影响的优势，得到了广泛应用。其施工工序为刀盘驱动、建立泥浆循环、启动推进油缸、刀盘开挖、缩回顶进油缸、管片安装等，如图1所示。

根据泥水平衡盾构机掘进的施工工序，可以将其主要费用构成分为：掘进出渣、泥浆处理、始发加固、管片衬砌及安装和壁后注浆5个部分，其中始发加固、管片衬砌及安装等费用的定额水平已很成熟。但是，掘进出渣、泥浆处理等工序的定额有待进一步研究。分别对南京长江隧道、杭州钱江隧道、扬州瘦西湖隧道、上海虹梅南路隧道、南京纬三路过江隧道和上海长江路隧道等6个超大直径泥水平衡盾构隧道掘进工程设计投资与实际投资取平均值，然后将该费用分成上述5个部分进行误差频数统计，发现掘进、出渣和泥浆处理的投资误差分别占投资总误差的43.94%和32.88%，见表1。

表1 6个超大直径泥水平衡盾构隧道工程的投资误差统计

造成盾构机投资误差较大的主要原因，一方面，是由于盾构机掘进定额与实际的误差较大：

1) 目前，盾构机掘进采用的主要定额为φ11.0 m级和φ15.5 m级盾构机定额，如《山东省市政工程消耗量定额(SDA-1-31—2016)》[7]《湖北省市政工程消耗量定额及全费用基价表》[8]《市政工程消耗量定额(ZYA1-31—2015)》[9]等。全国市政定额中φ15 m级左右盾构机的定额因编制时样本过少，使得掘进定额的消耗量过大而偏离实际成本。尽管各省份的φ11.0 m级和φ15.5 m级盾构机定额水平很高，且广泛应用于目前建设中的隧道工程，但并不适用于更大断面的φ18 m级公路市政盾构隧道工程。

2) 盾构机穿越不同岩层下的掘进费用差异较大。现阶段发布的盾构机掘进定额未区分软岩、软硬不均岩石、硬岩等不同岩层。实际上盾构机在不同岩层中的掘进速度和刀具损耗亦存在较大差异。

3) 盾构机折旧费用误差大。对于超大型盾构机，目前并无统一折旧的计算方法。若按小型盾构机以折旧费形式计人工单价，则存在初期投入费用高、后期项目不明确、日常维护成本高等问题。

另一方面，主要由于泥浆处理费用与实际存在一定偏差，影响该费用的主要原因是未合理考虑泥浆处理消耗量及单价问题。

2 盾构机掘进定额的理论分析

2.1 超大直径盾构机穿越软质岩层

大直径盾构机穿越均匀软质岩层时，据盾构机的工作原理，盾构机驱动的扭矩大小同其直径的关系类似于三次方关系，盾构机的泥水管路随其直径增大呈线性增加。根据目前已批复工程的定额组价情况，如武汉长江公铁隧道、和燕路过江通道、上海长江路隧道等盾构工程在均匀岩层中，φ15.5 m级盾构机定额下的掘进消耗量与φ11.0 m级盾构机定额下的掘进消耗量的比值，是两者直径比与面积比之和的平均值。据此，可推导出φ18 m级超大直径盾构机定额的掘进消耗量：

C18=K1C15.5

(1)

(2)

式中：

C18——φ18 m级盾构机定额的掘进消耗量;

C15.5——φ15.5 m级盾构机定额的掘进消耗量;

D1——φ18 m级盾构机的外径；

D2——φ15.5 m级盾构机的外径;

K1——相关系数。

本文统计了多个盾构工程的掘进单价，如表2所示。由表2可见，对比φ11.0 m级盾构机与φ15.5 m级盾构机的综合掘进单价，两者比值与式(1)中的K1基本一致，表明式(1)可以准确反映超大直径盾构机的掘进消耗量。

表2 各盾构工程掘进单价统计表

2.2 超大直径盾构机穿越硬质岩层和软硬不均质岩层

为更准确地计算超大直径盾构掘进定额，还需要考虑盾构掘进时穿越的地层，在不同围岩下的盾构掘进定额消耗量差别较大。超大直径盾构机掘进硬质岩和软硬不均质岩时，为维护盾构机各个系统的正常工作，盾构刀具更换频繁，滚刀刀圈及刀体、齿刀的消耗量较大，增加了刀具的损耗和机械工作量，导致掘进速度降低。以南京长江隧道、广深港高速铁路狮子洋隧道和武汉长江公铁隧道为工程案例，其超大直径盾构机在不同岩层中的掘进速度和刀具损耗对比，见表3。

表3 超大直径盾构机在不同围岩中的掘进速度和刀具损耗对比

为合理计算盾构机的掘进费用，穿越硬质岩和软硬不均质岩时，在扩大消耗量定额后，根据掘进的平均速度，增加盾构机工作量。

3 盾构机折旧费用

大型盾构机采购费用庞大，其使用寿命均超出一项工程的建设周期，从而形成了在一个工程中盾构机的分摊费用及其计列问题。盾构机费用无论由业主还是施工方独自承担，其都将面临极大的资金压力以及续接项目的风险。因此，开展大型盾构机折旧费用的研究，合理分摊费用，有利于市场竞争的公平性，从而形成良好市场环境，亦为更好地控制工程投资起到积极作用。φ15 m级超大直径盾构机的采购费用如表4所示。

表4 典型项目φ 15 m级盾构机购置价格汇总

目前，水下盾构隧道工程数量呈爆发型增长，结合近期竣工项目及即将建设的水下盾构隧道，φ11 m级和φ15 m级的盾构隧道均采用平均工作量法进行折旧：

QW=Pa(1-r)/Qs

(3)

式中：

QW——每项工作量的折旧额；

Qs——预计总工作量；

Pa——固定资产原价；

r——残值率。

实际工程中，盾构机掘进单位步距下的平均折旧费、平均维护费及其两者总费用与掘进长度呈非线性关系(见图2)。因此，现阶段常用的平均工作量法显然与实际不符，该问题对于超大直径盾构隧道工程尤为突出。为解决上述问题，考虑盾构设备折旧的主要影响因子，通过确定其定量指标，基于双倍余额递减形式的加速折旧法数学计算模型，提出一种盾构机加速折旧的计算方法。

根据以上影响因子，基于双倍余额递减原理，确定折旧模型。根据已竣工隧道项目的调查数据进行测算，以0.5 km为单位步距确定折旧率，计算得出单位步距理论折旧率和不同掘进长度下应计提的折旧额。如图3所示，单位步距折旧额和折旧率是递减的，满足双倍余额递减要求。

F0=FRM

(4)

R=(Prc-Nrc)/Nrc

(5)

式中：

F0——调整后的单位长度折旧率；

F——折旧率，F=2×0.5/L，L为掘进长度(以0.5 km为步距)；

R——机械功能性贬值系数；

M——机械利用系数;

Prc——复原重置成本；

Nrc——更新重置成本，根据经验取0.6～0.7，且随工作量的减小而减小。

则Dj的计算公式为：

(6)

式中：

Dj——第j步距的折旧额(以0.5 km为步距)；

F0,j——第j步距的调整折旧率；

Rj——第j步距的机械功能性贬值系数；

Mj——第j步距的机械利用系数；

Di——掘进长度的折旧额；

P——机械设备购置价。

新税法不再对固定资产残值率的比率做出硬性规定。根据《全国统一施工机械台班费用编制规则》[10]以及经验数据，盾构机残值率C一般取5%。通过以上措施，盾构机折旧费误差率降低至5%以下，可见所采用的折旧计算方法能够满足要求。

4 泥浆处理费用

目前，我国各省份的盾构机掘进定额中均未含废浆量的处理，使得既有定额计算存在一定缺陷。现阶段仅有的隧道泥浆分析定额为铁总建设[2017]324号《铁路工程补充预算定额(第一册)》[11]，其泥浆调制、泥浆分离、泥浆压滤等定额水平偏高，单价达120元/m3，而实际调查单价为45元/m3。泥浆处理主要分为泥浆调制与泥浆分离和压滤两部分，目前，两个项目均主要采用板式压滤。其优点为处理较彻底，且处理后的干渣可直接被运输离开;其缺点为单台设备费用较高(180万～200万元/台)、生石灰的需求量大、废水排放场所选择困难等。综合目前施工项目的实际使用情况，在定额基础上泥水平衡盾构机每单位泥浆(10 m3)过滤处理所增加各项目的消耗量及费用见表5。

表5 在定额基础上泥水平衡盾构机每单位泥浆(10 m3)过滤处理所增加各项目的消耗量及费用

综上所述，将分析结果应用于济南黄河隧道工程，其盾构段初步设计的批复费用为19.53亿元，而对比《市政工程消耗量定额(第四册隧道工程)：ZYA 1-31—2015》[9]测算的单价22.65亿元，减少幅度约为11.35%。经跟踪招标单价，其招标总价为19.35亿元，这表明该方法适应于市场需要，且合理测算定额消耗量，可适当降低盾构实施单价。

5 测算效果对比分析

采用改进后的掘进费用、盾构折旧费用、泥水处理费用的测算方式，分别计算南京长江隧道、钱江隧道、杭州瘦西湖隧道、虹梅南路隧道、南京纬三路过江隧道和长江路隧道等6个超大直径泥水平衡盾构隧道掘进工程投资，然后取其平均值。将6个超大直径泥水平衡盾构隧道掘进工程的投资平均值，分为始发加固费用、掘进及出渣费用、泥水处理费用、管片衬砌与安装费用、壁后注浆费用和总费用等6个部分，并与原测算方式下的投资进行对比，见表6。由表6可见，修正后的掘进及出渣和泥浆处理两部分的投资误差明显下降，其中，掘进及出渣部分误差率由原来的5.91%降至1.6%，泥浆处理部分误差率由原来的9.27%降至2.76%。根据建立的超大直径盾构机掘进定额、合理折旧计算模型和准确的泥浆消耗量计算方法，进行超大直径盾构机施工造价测算，掘进工程合计投资误差率降低至3.03%。提高了超大直径泥水盾构隧道掘进工程计量计价标准化和精细化程度，实现了工程投资的合理控制。

表6 改进测算方式与原测算方式投资误差率对比

利用改进后的超大直径泥水平衡盾构机施工造价的测算方式，按施工工序测算了常德沅江隧道、武汉长江公铁隧道、杭州青年路—博奥路过江隧道、南京梅子洲过江通道和上海北横通道项目，分别对其掘进工程进行了投资误差分析，如图4所示。由图4可见，改进的测算方式投资误差率均在3%左右，明显低于原测算方式的12.5%～14.1%，验证了提出的超大直径泥水平衡盾构机施工造价测算方式的合理性。

6 结语

1) 在相对成熟的φ15.5 m级盾构机定额的基础上，推导出均匀岩层中φ18 m级盾构机定额下每延米的综合单价。为合理计算盾构机掘进费用，在硬质岩和软硬不均质岩的条件下扩大消耗量定额后，根据平均掘进速度增加盾构机工作量。

2) 考虑影响盾构机定额的主要因素，以0.5 km为单位步距确定盾构机折旧率，采用双倍余额递减数学模型，计算得出的单位步距理论折旧率在不同掘进长度下应计提折旧额，提出一种采用分类变率改进双倍余额递减法的泥水平衡盾构机折旧计算公式。

3) 对于泥水平衡盾构机泥浆处理阶段，现有的定额水平存在一定缺陷，结合实际工程经验形成了符合实际的泥浆消耗量定额，修正后其测算单价与招标总价基本一致。

4) 通过实际工程案例进行验证，采用改进的测算方式计算得出的掘进及出渣投资误差率由原来的5.91%降至1.60%，泥浆处理部分的投资误差率由原来的9.27%降至2.76%。通过对实际工程进行测算验证，盾构掘进工程投资总误差率仅为3%左右。